MASTER EN BIOTECNOLOGÍA ALIMENTARIA Universidad de Oviedo

TRATAMIENTO DE EFLUENTES Y RESIDUOS DE LA INDUSTRIA ALIMENTARIA

TEMA 14. Tratamiento de gases en la industria alimentaria

Profesor: Salvador Ordóñez García

Índice: 1. Introducción: clasificación de las tecnologías a aplicar 2. Eliminación de óxidos de azufre 3. Eliminación de óxidos de nitrógeno 4. Eliminación de compuestos orgánicos volátiles y olores 5. Control de materia particulada 6. Bibliografía

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1. Introducción

La mayor parte de los contaminantes atmosféricos son vertidos al medio en forma de partículas sólidas, de gases (moléculas en estado gaseoso en las condiciones comunes de la atmósfera) o de vapores (compuestos que en dichas condiciones son líquidos pero que tienen una elevada presión de vapor). En estos dos últimos casos el contaminante y la matriz en la que se encuentra están en el mismo estado de agregación. Debido a esto, se suele distinguir entre contaminantes homogéneos (gases y vapores) y contaminantes heterogéneos (materia particulada).

La forma de tratamiento va a ser completamente distinta en ambos casos. En el caso de los contaminantes heterogéneos, la eliminación de los mismos va a ser provocada por el movimiento diferencial de esa fase sólida respecto del gas. Ese movimiento diferencial estará provocado por fuerzas gravitatorias (sedimentadores), inerciales (separadores de impacto), centrífugas (ciclones), electrostáticas previa carga de las partículas (electrofiltros), fenómenos de intercepción directa (filtros) o combinación de más de un fenómeno (sistemas de lavado).

En el caso de contaminantes homogéneos, el problema a resolver consistirá en la eliminación selectiva de uno o varios compuestos de una corriente gaseosa, encontrándose además en muy bajas concentraciones. Para dicha eliminación, habrá dos posibilidades:

• Transferencia de materia a una nueva fase, sólida o líquida. Operaciones de este tipo, tales como la absorción (fase líquida) y la adsorción (fase sólida) han sido ampliamente usadas en diversas aplicaciones. En estos casos puede asumirse que el compuesto pasa de la fase gaseosa a la fase condensada sin sufrir ningún cambio en su estructura química. Por otra parte, no debe de perderse de vista el hecho de que el contaminante está en una nueva fase.

• Transformación del contaminante en otro producto químico de menor carga contaminante. En este caso se puede considerar que el contaminante ha sido destruido. La tecnología a aplicar en este caso es la de los reactores químicos, con ciertas peculiaridades, derivados de los altos flujos y bajas concentraciones a tratar, que se mencionarán más adelante.

Sin embargo debe de considerarse que en los procesos reales van a poder darse una combinación de ambos procesos. La absorción del SO2 sobre lechadas de cal para producir yesos, podría ser un ejemplo de este hecho.

2. Eliminación de óxidos de azufre

Como se ha comentado en el tema anterior el SO2 es un contaminante de referencia, presente en cualquier proceso en el que se queme un combustible con cierto contenido de azufre (carbón, la mayor parte de las fracciones petrolíferas, etc.), lo que es bastante habitual en la industria alimentaria:

• Soluciones preventivas. Hacen referencia a las estrategias a seguir para que el SO2 no se forme. El cambio de combustibles ricos en azufre (carbón, fuel) por otros con menor contenido de este elemento (gas natural, gasolina) sería la solución preventiva más eficaz. En este caso debe considerarse, que aunque tecnológicamente sean las

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soluciones más apropiadas, su implementación presenta grandes complicaciones, tanto tecnológicas como socioeconómicas.

• Soluciones correctivas. Consisten en desarrollar una tecnología para la eliminación del SO2 ya generado (tecnología “end-of-pipe”). Son las soluciones que se van a estudiar en más detalle.

Dado que, como se ha comentado anteriormente, estas soluciones van a estar basadas bien en una reacción química de transformación o en un proceso de transferencia de materia, va a haber dos parámetros de suma importancia a la hora de seleccionar/diseñar un sistema de tratamiento: el caudal y la concentración de azufre. Los dos tipos básicos de corrientes contaminadas serán las procedentes del procesado de sulfuros metálicos (bajo caudal y alta concentración) y el procedente de la oxidación de combustibles orgánicos (alto caudal, baja concentración de SO2 y presencia de otros gases reactivos, como el dióxido de carbono). Estos dos tipos de emisiones gaseosas suelen conocerse como gases ricos y gases pobres (lean gases).

En el caso de los gases ricos, la concentración de azufre existente hace que sean interesantes procesos de aprovechamiento de dicho azufre. La forma más utilizada de conseguir esto es oxidar el SO2 a SO3 para posteriormente, mediante un proceso de absorción obtener ácido sulfúrico. Este proceso, que usa convertidores catalíticos, es el usado en Asturias por Asturiana de Zinc. A pesar de que este sistema sería interesante en todos los casos (estamos transformando un contaminante en un producto químico de interés industrial) no es viable para el tratamiento de gases pobres, como serían los gases de combustión generados en la industria alimentaria.

Para estos gases pobres los sistemas a usar se basarían en procesos de transferencia. La primera opción en estos casos serían los procesos de absorción, ya que se trata de un proceso continuo, muy estudiado y el SO2 es un gas que presenta propiedades ácidas, lo que le haría soluble en agua. Sin embargo, el problema de un proceso de absorción convencional radica en la presencia de otro gas ácido en la corriente, el CO2, lo que dificultaría el proceso de absorción.

Debido a esto, estos procesos de absorción deberán de utilizar una fuente de alcalinidad. Así se podría trabajar con disoluciones de hidróxidos alcalinos o bien con suspensiones de sólidos que presenten propiedades básicas, tales como los hidróxidos y carbonatos de elementos alcalinotérreos.

Debido a su escaso coste, las suspensiones de caliza o de cal se han convertido en la forma más habitual de tratamiento para estas emisiones. En estos casos, el producto último del proceso de descontaminación es una lechada de sulfato de calcio, susceptible de ser aprovechada como yeso, aunque la desecación del producto suele conllevar altos costes. El esquema del proceso básico se muestra en la Fig. 1.

Con el fin de solucionar el problema que supone la formación de ese lodo de difícil gestión, se han propuesto distintas modificaciones de este proceso básico:

• Procesos en bucle cerrado: se trata de implementar un proceso que permita regenerar el absorbente empleado. Este tipo de procesos permitiría la utilización de absorbentes más eficaces y que fuesen utilizados en fase líquida, necesitando equipos más sencillos y evitando el problema de trabajar con suspensiones (atascamientos, dificultad de

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bombeo, etc...). Los procesos de regeneración incluyen normalmente un tratamiento térmico de la corriente líquida que sale del absorbedor. En este caso se está generando una corriente concentrada de SO2, que podría revalorizarse.

Eliminadorde niebla

Agua

Absorbedor(de platos)

Gas con SO2

Tanque de recirculación

CalentadorVapor

Chimenea

Tanque aireado

Tanque de lodos frescos

Agua

Cal

Silo

Clarificador

Lodo húmedo

Eliminadorde niebla

Agua

Absorbedor(de platos)

Gas con SO2

Tanque de recirculación

CalentadorVapor

Chimenea

Tanque aireado

Tanque de lodos frescos

Agua

Cal

Silo

Clarificador

Lodo húmedo

Eliminadorde niebla

Agua

Absorbedor(de platos)

Gas con SO2

Tanque de recirculación

CalentadorVapor

Chimenea

Tanque aireado

Tanque de lodos frescos

Agua

Cal

Silo

Clarificador

Lodo húmedo

Figura 1. Eliminación de SO2 con lechada de cal (proceso húmedo)

• Procesos secos: se basan en introducir en el sistema el material básico en estado seco (inyección de cal) o en una suspensión muy concentrada, de tal forma que en contacto con los gases a tratar, se seque el material (procesos de pulverización). En ambos casos, el material residual obtenido es un sólido, lo que facilita la gestión/aprovechamiento posterior del mismo. El principal problema de estas técnicas es la mayor dificultad de manipulación de sólidos o pastas densas. No obstante los métodos de pulverización emplean tecnologías ampliamente disponibles y se están desarrollando vertiginosamente en la actualidad.

3. Eliminación de óxidos de nitrógeno

Cuando se hace referencia al problema de los óxidos de nitrógeno, el primer punto a considerar es que se está hablando básicamente de dos compuestos: el NO, gas incoloro y moderadamente tóxico y que representa la fuente primaria del contaminante y el NO2, de color pardo, mucho más tóxico e irritante y formado a partir de la oxidación del NO. Debido a esta razón y a la coexistencia, dependiendo del equilibrio de oxidación, de las dos especies, suele emplearse el término genérico NOx para referirse a este problema.

La principal fuente de estos contaminantes son los procesos de combustión. Sin embargo, una diferencia importante con los óxidos de azufre es el hecho de que mientras la totalidad del SO2 emitido en un proceso industrial tiene su origen en el azufre contenido en la

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materia prima, en el caso de los NOx aunque una parte puede tener su origen en el nitrógeno contenido en ciertos combustibles, la mayor parte provendrá de la combinación de N2 y O2 (gases mayoritarios en la atmósfera) que puede ser significativa a las temperaturas alcanzadas en combustiones, tanto en fuentes fijas como en móviles. Debido a esto, las soluciones preventivas no son tan evidentes, y se basan en variar las condiciones (turbulencia, exceso de aire, configuración de la llama, etc.) en las que ocurre la combustión.

VentiladorPrecalentador Vapor

Amoniaco

Quemador

Gas o aceite

Convertidor catalítico

IntercambiadorAlimentación/corrientede salida

Salida de gases

VentiladorPrecalentador Vapor

Amoniaco

Quemador

Gas o aceite

Convertidor catalítico

IntercambiadorAlimentación/corrientede salida

Salida de gases

Figura 2. Esquema simplificado de un proceso de reducción catalítica selectiva para la destrucción de óxidos de nitrógeno

Por otra parte, los procesos de absorción no son viables, al no presentar el NO (compuesto mayoritario en los NOx) propiedades ácido-base. Así pues las tecnologías a emplear para la solución de este problema deben basarse en la transformación de estos compuestos en otro compuesto químico más inocuo. Resulta bastante sencillo en este caso pensar que el objetivo sería convertir los NOx en N2 molecular, completamente inerte y compuesto mayoritario en la atmósfera. Dado que se trata de un proceso de reducción, la clave en estos procesos será buscar un agente reductor y unas condiciones de operación tales que permitan altas conversiones para esta reacción. Por otra parte, los altos flujos a tratar en estas operaciones, hacen que el diseño del reactor, especialmente el reactor catalítico, sea de especial importancia, ya que las configuraciones clásicas de reactores catalíticos (lechos de relleno) provocarían unas caídas de presión inasumibles. Debido a esto se ha desarrollado un nuevo modelo de reactores, de tipo estructurado, que son los reactores monolíticos.

Entre las combinaciones que se han estudiado se encuentran las siguientes:

1. Utilización de metano como reductor, usando catalizador (Reducción Catalítica No Selectiva, NSCR). Este proceso es eficaz para la destrucción de NO2, pero formando NO. Fue la primera tecnología desarrollada, pero hoy está en desuso.

2. Uso de amoniaco a altas temperaturas (hasta 1000ºC) y sin catalizador (Reducción No Catalítica Selectiva, SNCF). Consigue altas eficacias y selectividades, pero es difícil de controlar y presenta muchos problemas de corrosión además de una difícil dosificación del amoniaco. Actualmente es muy poco usada.

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3. Uso de amoniaco y catalizador (Reducción Catalítica Selectiva, SCR). Consigue rendimientos similares al caso anterior, pero a temperaturas sensiblemente más bajas (desde 150ºC, dependiendo del catalizador) y minimizando el riesgo de escapes de amoniaco. Esta es la técnica que más se está utilizando en la actualidad. La parte central del proceso (Fig. 2) lo constituye el reactor catalítico, que es de tipo monolítico. Como fases activas se utilizan tanto metales preciosos, como óxidos metálicos y materiales zeolíticos.

4. Eliminación de compuestos orgánicos volátiles y olores

Las emisiones de COVs son bastante frecuentes en la industria alimentaria: procesos de secado de alimentos, extracciones (descafeinización, refinado de aceites, etc.), frituras y tostados. Como se ha comentado en el tema anterior, en la mayor parte de los casos, la contaminación por olores no deja de ser un caso particular de COVs, aunque con unas concentraciones menores y un grado de biodegradabilidad mayor. Debido a esto, los métodos biológicos serán más aplicables a esta problemática.

Los parámetros a tener en cuenta en el tratamiento de corrientes contaminadas con VOCs son el flujo, naturaleza y carga del contaminante, los límites de concentración exigidos a la salida y la presencia de sólidos en la corriente gaseosa.

Existen diversas técnicas que se pueden clasificar en dos grupos: destructivas y no destructivas. Las primeras conllevan una transformación química de los COVs en compuestos inertes o al menos de menor peligrosidad. Los segundos se caracterizan porque retienen o eliminan de la corriente gaseosa dichos compuestos pero sin transformarlos. En estos métodos la depuración ocurre por un cambio de fase del compuesto contaminante.

Entre los métodos destructivos destacan la filtración biológica, la degradación mediante radiación electromágnetica (UV), la incineración térmica y la oxidación catalítica y dentro de los no destructivos se encuentran la adsorción sobre carbón activo, la condensación y la absorción con agua o compuestos orgánicos.

De entre estas técnicas, las cuatro que tienen un mayor grado de utilización en la práctica industrial, son la filtración biológica, la adsorción, la incineración térmica y la oxidación catalítica.

La filtración biológica consiste en hace pasar la corriente con COV por un lecho de relleno en el que se encuentran inmovilizados los microorganismos sobre un material biocompatible (arcillas o compost). Esta técnica tiene la ventaja de su bajo coste energético, pero tiene como desventajas el requerir mucho espacio físico, que precisa que las corrientes a tratar estén frías y húmedas y especialmente cuando se considera su aplicación en la industria petroquímica, su elevada sensibilidad a venenos tales como compuestos sulfurados, halogenados o incluso determinados COV. Además, la eficacia de estos procesos para la destrucción de ciertos COV, tales como los policíclicos o los halogenados es muy baja. Como se verá en temas posteriores, esta técnica es bastante habitual en procesos de desodorización.

Respecto a la adsorción, su utilización plantea el gran problema de su baja eficacia para la eliminación de compuestos parafínicos ligeros, tales como metano, propano o butano.

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Por contra, si puede ser interesante su aplicación a corrientes con alto contenido en COV aromáticos, ya que la eficacia de los adsorbentes tradicionales con estos COV es muy alta.

La incineración térmica es probablemente la tecnología más sencilla y en su variante más simple (las antorchas) se ha utilizado históricamente para la destrucción de corrientes contaminantes, tales como purgas de proceso. Sin embargo, la aplicación de estas tecnologías a corrientes diluidas (<8 g/Nm3) es más problemática y los costes energéticos pueden ser considerables. Otros dos aspectos que juegan en contra de esta técnica son la formación de óxidos de nitrógeno de tipo térmico (por recombinación del nitrógeno y el oxígeno atmosféricos) y las cuestiones de seguridad derivadas.

La incineración catalítica, también denominada oxidación o combustión catalítica, permite la oxidación completa de los COV y vapores orgánicos tóxicos que estén presentes en corrientes gaseosas gracias a la presencia de un catalizador.

A diferencia de la otra técnica destructiva mencionada, incineración térmica, tiene la ventaja de que permite la destrucción de los compuestos a temperaturas inferiores (200-500ºC), con lo que se evita la formación de subproductos no deseados (tales como dioxinas y óxidos de nitrógeno) y supone además un ahorro energético.

Una ventaja adicional de esta técnica es su gran versatilidad. Así, dependiendo de los COV a tratar y de la presencia de otras moléculas en la corriente, se elegirán unos catalizadores u otros. Así se distingue claramente entre dos tipos de catalizadores:

� Catalizadores de metal precioso soportado

� Catalizadores de óxidos metálicos.

Sin embargo, es importante destacar la creciente investigación realizada en los últimos años en el desarrollo de catalizadores para la oxidación de COV. Entre las distintas líneas que se han seguido, están el dopaje de los catalizadores de metal precioso soportado con otros metales u óxidos con el fin de aumentar su actividad y especialmente su resistencia al envenenamiento y el desarrollo de nuevos soportes que aumenten la estabilidad térmica de los catalizadores (es decir disminuyen la degradación física del catalizador a altas temperaturas).

En general, los catalizadores de óxidos metálicos presentan una menor actividad que los de metal precioso soportado pero tienen la ventaja de ser más resistentes al envenenamiento y de menor precio.

5. Control de materia particulada

Aunque el número de técnicas de eliminación de partículas es relativamente grande, las técnicas actualmente aplicadas en la industria para este fin pueden son menos reducidas. En general nos encontramos con dos tipos de problemas, en función del origen y el tamaño de partículas:

• Partículas de entre 5-10 µm. Tienen un origen mecánico (procesos de molienda, descascarillado, trasiego de materias primas alimentarias, sierras, etc.). Este tipo de emisiones suele tratarse mediante ciclones.

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• Partícula de entorno a 1 µm. Tienen un origen químico, siendo los procesos de combustión su fuente más habitual. En este caso, y dependiendo del caudal de gas y el resto de sustancias presentes en el gas, el tratamiento se puede realizar en filtros de superficie (caudales pequeños), electrofiltros (grandes caudales) o sistemas de lavado (matrices inflamables o procesos de eliminación simultánea de partículas y gases ácidos).

En los ciclones (Fig. 3a.), la separación de partículas se realiza por efecto de la fuerza centrífuga. Se trata de, mediante un diseño mecánico, inducir un movimiento curvilíneo al gas. Así, la fuerza centrífuga hará que las partículas se muevan hacia la carcasa exterior del ciclón, chocando contra ésta, perdiendo su velocidad y depositándose en el fondo del ciclón por efecto de la gravedad. Se trata de equipos baratos y sencillos de operar, cuya presencia es bastante frecuente en la industria alimentaria, especialmente asociados a operaciones de trasiego y procesado de materiales sólidos secos (fabricación de harinas, liofilizados, etc.).

Figura 3. Esquema de operación de un ciclón (a) y un filtro de mangas (b)

Para partículas más pequeñas, lo más habitual trabajando con caudales relativamente bajos de gases (como los habituales en la industria alimentaria) es el uso de filtros de superficie (Fig. 3b.), también conocidos como filtros de mangas. En este caso, los gases contaminados con partículas se hacen circular a través de un de una manga cuyo medio filtrante impide el paso de las partículas, normalmente se trabaja con agrupaciones de varias mangas distribuidas en compartimentos. Debe considerarse que según se van

(a) (b)

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depositando las partículas se está formando una torta de filtración que contribuye a la retención de partículas, pero también al aumento de la caída de presión a través del lecho filtrante. Uno de los problemas más importantes de esta operación es que se trata de un método intrínsecamente discontinuo.

Otros métodos de eliminación de partículas como el electrofiltro o el lavado de gases, son de gran aplicación en sectores industriales de gran tonelaje y generación de gases contaminados (centrales térmicas, cementeras, etc.), pero poco habituales en la industria alimentaria. El electrofiltro consiste en cargar las partículas a eliminar mediante la aplicación de grandes diferencias de potencial de corriente continua (hasta 100 kV), una vez cargadas, las partículas se moverán en el campo eléctrico creado con dicha diferencia de potencial. La mayor parte de las partículas tenderán a cargarse negativamente, con lo que se moverán hacia el electrodo positivo, denominado electrodo colector, conformado en forma de placas planas. Una vez las partículas colisionan con estas placas, pierden su carga y su velocidad, depositándose por efecto de la gravedad. Los electrofiltros son un sistema continuo que permite el tratamiento de grandes caudales de gases con bajas caídas de presión. Sin embargo, sus altos costes de operación y sus condicionantes de seguridad los hacen poco apropiados para corrientes más pequeñas.

El término lavado de gases, incluye una familia de tratamientos muy diferentes entre sí (contactores de lecho de relleno, sistemas venturi, lavadores de niebla), que tienen en común que la eliminación de las partículas se realiza por transferencia de los mismos hacia una fase líquida. Su aplicación en el ámbito de la industria alimentaria es muy limitado.

6. BIBLIOGRAFÍA

• BUENO, J.L.; SASTRE, H.; LAVÍN, A.G. (Eds.); “Contaminación e Ingeniería Ambiental. Volumen 2”, Ed. Ficyt, Oviedo (1997)

• DE NEVERS, N., “Ingeniería de control de la contaminación del aire”, Mc. Graw-Hill,

Madrid (1998).

• ESCANDÓN, L.S.; HURTADO, P.; ORDÓÑEZ, S.; DÍEZ, F.V.; Ingeniería Química,

380, 161-166 (2001).

• WARK, K., WARNER, C.F., "Contaminación del aire: origen y control", Limusa, Méjico (1999).